این سؤالی است که پژوهش تازه‌ای منتشرشده در مجلهٔ معتبر Science Advances تلاش کرده به آن پاسخ دهد. در این مطالعه، گروهی از دانشمندان سازوکار شکل‌گیری جریان‌های جتی در غول‌های گازی منظومهٔ شمسی یعنی مشتری و زحل، و همچنین غول‌های یخی یعنی اورانوس و نپتون را بررسی کردند. این تحقیق نه‌تنها می‌تواند به دانش ما دربارهٔ تولد و تحول سیارات غول‌پیکر در منظومهٔ شمسی کمک کند، بلکه می‌تواند برای شناخت غول‌های گازیِ فراخورشیدی نیز راهگشا باشد.
جریان‌های جتی چیستند؟
جریان‌های جتی (Jet Streams) نوارهایی از بادهای فوق‌سریع در لایه‌های بالایی جو هستند که در سیارات مختلف، از زمین گرفته تا مشتری و حتی سیارات فراخورشیدی، دیده می‌شوند. روی زمین سرعت آنها معمولاً چند صد کیلومتر بر ساعت است، اما در غول‌های گازی این سرعت می‌تواند به ۵۰۰ تا ۲۰۰۰ کیلومتر بر ساعت نیز برسد. این بادها نقش مهمی در ساختار آب‌وهوایی و پویایی جو دارند و مطالعهٔ آنها می‌تواند تصویر عمیق‌تری از فرایندهای داخلی سیاره به ما بدهد.
جریان‌های جتیِ غول‌های گازی پدیده‌ای بسیار چشمگیرند. مثلاً روی مشتری، این جت‌ها همان نوارهای معروف رنگی در سطح سیاره را شکل می‌دهند که در تصاویر فضاپیماهایی مانند جونو و وویجر دیده‌ایم.
پرسش کلیدی دانشمندان
با اینکه سال‌هاست این جریان‌ها مشاهده شده‌اند، یک معما هنوز حل‌نشده باقی مانده بود:
- چرا جریان‌های جتی مشتری و زحل رو به شرق می‌وزند؟
- اما جریان‌های جتی اورانوس و نپتون رو به غرب هستند؟
این تفاوت عجیب است، زیرا هر چهار سیاره اندازه‌ای بزرگ و ساختارهایی مشابه دارند. برخی فرضیه‌ها در گذشته مطرح شده بود:
- شاید به دلیل کمبود نور خورشید در اورانوس و نپتون باشد.
- شاید به دلیل ساختار داخلی متفاوت آنها باشد.
- یا شاید علت برای هر سیاره منحصر به‌فرد باشد.
اما تا امروز هیچ مدل دقیقی وجود نداشت که بتواند این پدیده را به‌طور کامل توضیح دهد.
روش پژوهش: شبیه‌سازی‌های رایانه‌ای
در این مطالعه، دانشمندان از مجموعه‌ای از مدل‌های رایانه‌ای بسیار پیشرفته برای شبیه‌سازی رفتار جریان‌های جتی استفاده کردند. آنها:
- ساختار جو سیارات،
- انرژی دریافتی از خورشید،
- دوران سیاره،
- و رفتار جریان‌های همرفتی
را در مدل‌ها لحاظ کردند.
این مدل‌ها دقیقاً بازتاب‌دهندهٔ شرایط واقعی سیارات مشتری، زحل، اورانوس و نپتون بودند.
دانشمندان در این مدل‌ها سرعت بادها را از ۵۰۰ تا ۲۰۰۰ کیلومتر بر ساعت در نظر گرفتند — بازه‌ای که پیش‌تر توسط کاوشگرها و تلسکوپ‌ها اندازه‌گیری شده بود.
نتیجهٔ اصلی: عمق جو تعیین‌کننده است
در نهایت، پژوهشگران به یک نتیجهٔ بسیار مهم رسیدند:
عمق جو و سلول‌های همرفتیِ چرخان در استوا تعیین می‌کنند که جریان‌های جتی به سمت شرق می‌وزند یا غرب.
آنها دریافتند:
- در سیاراتی که جو عمیق‌تر و سلول‌های همرفتی نیرومندتری دارند،
→ جریان‌های جتی رو به شرق شکل می‌گیرند (مانند مشتری و زحل). - در سیاراتی با جو کم‌عمق‌تر یا الگوی همرفتی متفاوت،
→ جت‌ها به سمت غرب می‌وزند (مانند اورانوس و نپتون).
سلول‌های همرفتی (Convection Cells) ساختارهایی هستند شبیه جریان‌های صعودی و نزولی که گرما را از اعماق بالا می‌برند. این سلول‌ها در منطقهٔ استوا تحت تأثیر چرخش سیاره قرار می‌گیرند و جهت بادهای عظیم را تعیین می‌کنند.
این یافته یک تحول بزرگ در فهم پویایی سیاره‌ای محسوب می‌شود، چون برای نخستین بار نشان می‌دهد تفاوت رفتار سیارات غول‌پیکر ریشه در یک سازوکار مشترک دارد.
اهمیت این مطالعه برای درک سیارات فراخورشیدی
نکتهٔ مهم اینجاست که این سازوکار فقط مختص منظومهٔ شمسی نیست.
اگر جهت جریان‌های جتی در سیارات تحت تأثیر عمق جو، نوع همرفت و سرعت چرخش باشد، این الگو می‌تواند به سیارات فراخورشیدی نیز تعمیم داده شود.
دکتر «کرن دور» (Keren Duer)، پژوهشگر مهمان دانشگاه لیدن و نویسندهٔ اصلی مقاله، می‌گوید:
«فهم این جریان‌ها حیاتی است، زیرا به ما کمک می‌کند فرایندهای بنیادی حاکم بر جو سیارات را درک کنیم — نه فقط در منظومهٔ شمسی، بلکه در سراسر کهکشان راه شیری. این کشف ابزار تازه‌ای در اختیار ما می‌گذارد تا تنوع گستردهٔ جوها و اقلیم‌های سیاره‌ای را در جهان بهتر بفهمیم.»
امروزه هزاران سیارهٔ فراخورشیدی کشف شده‌اند و بسیاری از آنها غول‌های گازی مشابه مشتری هستند. بنابراین، این پژوهش می‌تواند در تحلیل رفتار جو آنها نقش اساسی داشته باشد.
نمونه‌هایی از سیارات فراخورشیدی با جت‌های شناسایی‌شده
در چند سال اخیر، دانشمندان برخی از سیارات فراخورشیدی را بررسی کرده‌اند که جریان‌های جتی آنها قابل‌مشاهده بوده است. این سیارات عبارت‌اند از:
- HD 209458 b – فاصله: ۱۵۹ سال نوری
- HD 189733 b – فاصله: ۶۴.۵ سال نوری
- WASP-43 b – فاصله: ۲۸۴ سال نوری
- WASP-18 b – فاصله: ۳۸۰ سال نوری
- HAT-P-7 b – فاصله: ۱۰۴۰ سال نوری
- WASP-76 b – فاصله: ۶۳۴ سال نوری
- WASP-121 b – فاصله: ۸۵۰ سال نوری
- GJ 1214 b – فاصله: ۴۸ سال نوری
به‌جز GJ 1214 b، بقیهٔ این سیارات تقریباً اندازه‌ای برابر با مشتری دارند یا حتی تا دو برابر آن بزرگ‌اند.
جالب است که سیارهٔ GJ 1214 b حدود ۲.۷ برابر شعاع زمین دارد و در دستهٔ «مینی‌نپتون»ها قرار می‌گیرد.
بادهایی بسیار شدیدتر از غول‌های گازی منظومهٔ شمسی
در حالی که بادهای چهار غول گازی منظومهٔ شمسی بین ۵۰۰ تا ۲۰۰۰ کیلومتر بر ساعت هستند، جریان‌های جتیِ سیارات فراخورشیدی ذکرشده:
حداقل حدود ۳۶۰۰ کیلومتر بر ساعت سرعت دارند!
این سرعت تقریباً دو برابر سریع‌تر از بادهای مشتری است.
علت این سرعت‌های باور نکردنی نزدیکی شدید این سیارات به ستارهٔ میزبانشان است.
چرا سیارات فراخورشیدی بادهای فوق‌سریع دارند؟
بسیاری از این سیارات از نوع:
- مشتری‌های داغ (Hot Jupiters)
- یا مشتری‌های بسیار داغ (Ultra-Hot Jupiters)
هستند.
این بدان معناست که:
- بسیار نزدیک به ستارهٔ خود می‌چرخند
- دمای جو آنها فوق‌العاده بالاست
- گاهی دورهٔ مداری آنها کمتر از یک روز زمینی است
- و شدت گرمایش ستاره موجب شکل‌گیری بادهای فوق‌العاده شدید می‌شود
در چنین شرایطی:
- بخش روز همیشه رو به ستاره است و دمایی بسیار بالا دارد
- بخش شب تاریک و سردتر است
- اختلاف دمای شدید باعث ایجاد جریان‌های جوی قوی می‌شود
- و جت‌ها می‌توانند فلزات تبخیرشده مانند آهن را حمل کنند!
برخی سیارات حتی باران آهنی یا ابرهای متشکل از سیلیکات‌ها دارند. این پدیده‌ها در منظومهٔ شمسی مشاهده نمی‌شود و تنها در «مشتری‌های فوق‌داغ» دیده شده است.
اهمیت علمی مطالعهٔ جت‌ها
مطالعهٔ جریان‌های جتی فراتر از درک بادهاست. این جریان‌ها به ما کمک می‌کنند:
- ساختار داخلی سیارات را بشناسیم
- گرمایش در جو را مدل‌سازی کنیم
- رفتار آب‌وهوایی سیارات فراخورشیدی را پیش‌بینی کنیم
- شرایط اقلیمی سیارات قابل‌زیست را تحلیل کنیم
- و بر اساس الگوهای جوی، امکان وجود حیات را بسنجیم
از سوی دیگر، مدل‌های مشابهی می‌تواند برای زمین نیز کاربرد داشته باشد. هرچه دانش ما دربارهٔ جو سیارات مختلف بیشتر شود، درک ما از جو زمین نیز دقیق‌تر خواهد شد.
آیندهٔ پژوهش
پژوهشگران معتقدند که این مدل جدید تنها نقطهٔ آغاز است. آنها امیدوارند در آینده بتوانند:
- جت‌ها را در سیارات کوچک‌تر نیز مدل‌سازی کنند
- اثر ترکیب شیمیایی جو را بررسی کنند
- تأثیر میدان مغناطیسی بر جریان‌های جتی را تحلیل کنند
- رفتار جو سیارات جوان و بسیار داغ را بهتر بسنجند
- و الگوهای پیچیده‌تری را برای تفسیر داده‌های تلسکوپ جیمز وب توسعه دهند
با افزایش کشف سیارات فراخورشیدی و پیشرفت ابزارهای رصدی، داده‌های بیشتری برای آزمودن این مدل‌ها به دست خواهد آمد.
جمع‌بندی الهام‌بخش
پژوهش حاضر نشان می‌دهد که حتی پدیده‌هایی که ظاهراً بسیار بزرگ و پیچیده‌اند — مانند بادهای نواربندی‌شدهٔ غول‌های گازی — ممکن است از اصول سادهٔ فیزیکی نشئت بگیرند. همین اصول، با اندکی تفاوت در شرایط محیطی، می‌توانند دنیایی از تنوع و پدیده‌های شگفت‌انگیز را در جهان ایجاد کنند.
و درست از همین‌جاست که علم آغاز می‌شود:
از پرسش‌های کوچک، به کشفیات بزرگ.
چه بینش‌های تازه‌ای دربارهٔ جریان‌های جتی سیارات غول‌پیکر در سال‌ها و دهه‌های آینده به دست خواهیم آورد؟
تنها زمان پاسخ خواهد داد — و این همان دلیلی است که ما علم را دنبال می‌کنیم!
و در پایان:
به کاوش ادامه دهید و همیشه به آسمان نگاه کنید!
